粵北河口巖體次英安斑巖鋯石U-Pb年代學和Hf同位素特征及其地質意義

林 坤，李海東，劉 斌，龍自強，吳建勇

(1.核工業二九○研究所，廣東韶關 512029；2.廣東省環境保護核輻射追蹤研究重點實驗室，廣東韶關 512029；3．廣東省放射性生態環境保護工程技術研究中心，廣東韶關 512029)

0 引言

大寶山-河口-南逕地區的火山巖主要分布于貴東復式花崗巖巖體外圍，在粵北大寶山、河口、黃竹、上洞和贛南南逕等地均有出露(圖1)。大寶山、河口、上洞等地的火山巖以英安巖、碎斑熔巖、次英安斑巖為主，多分布于破火山口構造內(巫建華等，2012)；而南逕盆地火山巖系主要由英安巖、安山巖及火山碎屑巖組成。

大寶山-河口-南逕地區的火山巖組合因其野外露頭較差，風化較強，形成時代存在爭議，長期被歸屬于中生代火山巖系。1995年，核工業二九○研究所在開展“下莊礦田巖漿演化系列及成礦富集作用”研究時獲得河口盆地碎斑熔巖K-Ar年齡為143 Ma，將其地質時代歸于晚侏羅世。而趙如意等(2019)、王磊等(2012)認為大寶山次英安斑巖是早侏羅世晚期(～175 Ma)沿逆沖推覆構造侵位的次火山巖，并捕獲了大量志留紀巖漿鋯石。

易立文等(2014)通過LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年獲得上洞巖體英安巖的鋯石U-Pb年齡為448.7±1.7 Ma；劉帥等(2018)通過SHRIMP鋯石U-Pb測年獲得南逕盆地安山巖和英安巖SHRIMP鋯石U-Pb年齡分別為442.1±3.9 Ma和439.9±3.7 Ma。瞿泓瀅等(2019)、潘會彬等(2014)、伍靜等(2014)、毛偉等(2013)等研究表明大寶山地區次英安斑巖形成時代為志留紀，表明該地區火山巖可能形成于加里東期。

河口地區年代學研究相對較少，徐夕生和謝昕(2005)獲得的河口盆地凝灰巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為400 Ma；巫建華等(2012)在對該地區不同巖石進行野外劃分和定名基礎上，測定該區碎斑熔巖的鋯石U-Pb年齡為443.6±5.4 Ma。而河口地區次英安斑巖屬于火山期后的淺成-超淺成侵入巖，并未開展相關年代學研究。為了進一步探討大寶山-河口-南逕地區火山巖的形成時代及巖漿源區，本文選擇河口巖體次英安斑巖作為研究對象，采取新鮮的巖石樣品開展鋯石U-Pb年代學及Hf同位素研究，并與大寶山、上洞、南逕火山巖進行對比，以判別巖漿源區及成巖構造環境，確定其形成時代。

圖1 粵北地區河口巖體地質簡圖Fig.1 Geological map of the Hekou rock mass in north Guangdong 1-石英砂巖、砂質頁巖;2-石英砂巖、變質砂巖;3-次英安斑巖;4-細粒二云母花崗巖;5-中粗粒黑云母花崗巖;6-斷裂;7-小型鎢礦床;8-水系;9-道路;10-取樣位置及樣品編號1-quartz sandstone,sandy shale;2-quartz sandstone,metamorphic sandstone;3-porphyritic dacite;4-fine-grained two mica granite;5-medium-coarse biotite granite;6-fracture;7-small tungsten deposit;8-water system; 9-road; 10-sampling location and sample number

1 地質概況

河口巖體位于粵北地區貴東巖體中部的北緣，整體呈不規則方形，面積約32 km2(圖1)。北西側為寒武系，呈斷層接觸；東側為寒武系-中奧陶統變質巖系，呈不整合接觸；南側為燕山早期司前花崗巖體侵入破壞，以細粒二云母花崗巖為主，成巖年齡為151.0±11 Ma(徐夕生等，2003)。河口巖體次英安斑巖在河口山鎢礦采坑內出露較好，巖石較新鮮；而邊緣的凝灰巖、凝灰質砂巖等風化較強，剝蝕嚴重，未見較好露頭。

次英安斑巖多呈淺灰色、灰綠色；巖石具斑狀結構，斑晶約占35%，主要為石英、斜長石、鉀長石、黑云母；基質為顯微晶質結構、顯微鑲嵌結構，主要礦物成分為石英、斜長石、鉀長石、黑云母。次生蝕變主要為斜長石絹(白)云母化，綠簾石化，黑云母發育綠泥石化、綠簾石化(圖2)。

圖2 次英安斑巖巖石學、礦物學特征Fig.2 The petrology and mineralogy characteristics of the porphyritic dacitea-次英安斑巖露頭；b-次英安斑巖手標本；c、d-次英安斑巖顯微照片(正交偏光，50×)；Q-石英；Pl-斜長石；K-鉀長石；Bt-黑云母a-porphyritic dacite field outcrop;b-porphyritic dacite hand specimen;c,d-porphyritic dacite micrograph(orthogonal polarization，50×);Q-quartz;Pl-plagioclase;K-potassium feldspar;Bt-biotite

2 樣品采集與分析

在河口山鎢礦外圍采集次英安斑巖樣品2個，編號HK-1、HK-2，進行鋯石U-Pb定年和Hf同位素原位組成分析。

用于鋯石年代學測試的樣品首先經過破碎，在碎樣后采用常規重力和磁選法分選出鋯石，先利用雙目鏡挑選晶形較好、色澤明亮的鋯石，再置于環氧樹脂中制靶。經研磨拋光，進行透射光、反射光及陰極發光照相后，選擇典型的巖漿鋯石進行測年分析。鋯石U-Pb定年在核工業北京地質研究院分析測試研究中心完成，實驗使用Nu Plasma II 型多接收電感耦合等離子體質譜儀和Geolas 193準分子固體激光器，具體參照《激光剝蝕電感耦合等離子體質譜U-Pb同位素定年方法》(HDB/T 3002-2016)執行。

鋯石Hf同位素原位組成分析在核工業北京地質研究院分析測試研究中心完成，采用Nu Plasma II 型多接收電感耦合等離子體質譜儀和Geolas 193準分子固體激光器，儀器的測試條件及數據的采集可參見文獻(Wu et al.，2006；侯可軍等，2007)。根據鋯石的大小選擇直徑40 μm或55 μm激光束斑，采用He氣作為剝蝕物質的載氣，先與Ar氣混合，形成混合氣，再將剝蝕物質從激光剝蝕系統傳送到MC-ICP-MS(徐平等，2004)。具體參照《鋯石Hf同位素及Lu-Hf模式年齡的測定 激光剝蝕多接收電感耦合等離子體質譜法》(HDB/T 3018-2018)執行。

3 鋯石U-Pb年齡

次英安斑巖中鋯石多為無色透明或淺黃色。陰極發光圖像顯示，鋯石的內部結構清晰且具典型的巖漿振蕩環帶。大部分鋯石結晶較好，多呈長柱狀，少數為等粒狀(圖3)。鋯石中的Th/U比值能反映鋯石的成因類型，當Th/U比值大于0.1時為巖漿鋯石，而變質鋯石Th/U比值一般小于0.1(Belousova et al.，2002)。河口巖體次英安斑巖中鋯石Th/U比值在0.20～0.91之間(表1)，指示其為典型的巖漿成因鋯石。

表1 次英安斑巖的LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb年代學測試結果

續表1

圖3 次英安斑巖鋯石CL圖像與鋯石年齡Fig.3 CL images and ages of zircon crystals from the porphyritic dacite

定年結果表明，次英安斑巖樣品HK-1、HK-2的28個測點數據在諧和圖上密集成簇，相對集中于諧和線附近，無明顯的偏移；其中HK-1的206Pb/238U加權平均年齡為428.6±2.2 Ma(2σ，MSWD=0.31)，除去年齡異常的HK-1-02(圖4)；HK-2的206Pb/238U加權平均年齡為429.6±2.4 Ma(2σ，MSWD=0.80)，除去年齡異常的HK-2-1(圖5)。可見2個樣品的定年結果在誤差范圍內是一致的，測試結果可靠。

4 鋯石Hf同位素

選取次英安斑巖樣品HK-1、HK-2進行鋯石原位Hf同位素分析，分析結果見表2。

樣品HK-1鋯石的176Lu/177Hf比值變化范圍為0.00099～0.00179，平均值0.00126，顯示極低的放射性成因Hf的積累。176Hf/177Hf比值變化范圍為0.28228～0.28240，平均值0.28236。鋯石Hf同位素初始比值εHf(t)變化范圍在-8.40～-4.20，平均值-5.52；單階段Hf模式年齡(tDM1)介于1215～1374 Ma之間，平均值1268 Ma；兩階段Hf模式年齡(tDM2)介于1674～1934 Ma之間，平均值1756 Ma。

圖4 次英安斑巖HK-1鋯石U-Pb諧和年齡(a)和加權平均年齡(b)Fig.4 The diagrams of zircon U-Pb concordia (a) and weighted average age (b) of HK-1 porphyritic dacite

圖5 次英安斑巖HK-2鋯石U-Pb諧和年齡(a)和加權平均年齡(b)Fig.5 diagrams of zircon U-Pb concordia (a) and weighted average age (b) of HK-2 porphyritic dacite

表2 次英安斑巖的LA-MC-ICP-MS鋯石Lu-Hf同位素分析結果

樣品HK-2鋯石的176Lu/177Hf比值變化范圍為0.00015～0.00122，平均值0.00047，顯示極低的放射性成因Hf的積累。176Hf/177Hf比值變化范圍為0.28229～0.28238，平均值0.28233。鋯石Hf同位素初始比值εHf(t)變化范圍在-7.65～-4.72，平均值-6.22；單階段Hf模式年齡(tDM1)介于1231～1333 Ma之間，平均值1288 Ma；兩階段Hf模式年齡(tDM2)介于1709～1888 Ma之間，平均值1802 Ma。

5 討論

5.1 形成時代

河口巖體次英安斑巖的鋯石U-Pb年齡為428.6±2.2 Ma、429.6±2.4 Ma，而碎斑熔巖的鋯石U-Pb年齡為443.6±5.4 Ma(巫建華等，2012)，兩者成巖時差約15 Ma。次英安斑巖屬于火山噴發活動后期的淺成-超淺成侵入巖，可見河口地區的火山活動為一個相對持續的多階段過程。

此外，通過將河口地區、南逕盆地及大寶山地區的英安巖、次英安斑巖鋯石U-Pb年齡對比分析可知(易立文等，2014；劉帥等，2018；瞿泓瀅等，2019；趙如意等，2019)河口-大寶山-南徑地區出露的次火山巖-火山巖形成時代主要介于445～435 Ma之間，暗示粵北-贛南地區不僅廣泛發育加里東期花崗巖，而且存在廣泛發育的加里東期的火山巖-次火山巖。

5.2 巖漿源區及構造環境

鋯石Hf同位素體系封閉溫度要高于鋯石U-Pb同位素體系，可以示蹤巖漿的源區和巖漿混合過程，反映巖漿源區的源巖特征，可作為討論地殼演化、殼幔相互作用的重要工具(Patchett,1983;Cherniak et al.,1997;Cherniak and Watson,2003；吳福元等，2007；楊水源等，2010；徐文坦等，2019；高陽等，2019)。因此，通過次英安斑巖的鋯石Hf同位素組成特征分析，能更好地探討次英安斑巖的物質來源問題。

本次研究獲得河口巖體次英安斑巖的εHf(t)變化范圍較小，均呈明顯負值(-7.65～-4.72)，指示其形成于陸殼物質的部分熔融。鋯石206Pb/238U年齡與εHf(t)關系圖顯示，鋯石的εHf(t)集中在上下地殼的演化線之間(圖6)，表明其巖漿源區來自于地殼，并無明顯地幔物質的加入。鋯石Hf模式年齡(tDM2)平均值分別為1756 Ma、1802 Ma，指示河口地區可能存在過早元古代的古老基底，次英安斑巖可能是早元古代的變質巖部分熔融的產物。

圖6 次英安斑巖的鋯石206Pb/238U年齡與εHf(t)關系圖Fig.6 The relationship between the age of 206Pb/238U and εHf(t)of zircons in porphyritic dacite

前人研究表明，在早古生代，揚子地塊與華夏地塊靠攏并發生碰撞，導致揚子地塊東南緣地殼加厚，并產生熱-應力松弛作用，隨后轉換為以碰撞為主的局部拉張減薄的伸展環境(鐘立峰等，2006；夏明哲等，2010；舒良樹，2012；張喜松和徐夕生，2015；覃曉云，2015)。地殼加厚和巖石圈地幔的拆沉，引起軟流圈上涌，巖漿在上升過程中經歷分離結晶作用形成火山巖(毛建仁等，2014；易立文等，2014；夏菲等，2017；劉帥等，2018)。河口巖體次英安斑巖地球化學特征研究表明其具有殼源S型花崗巖的特征，可能是在陸陸碰撞導致地殼不斷增厚的背景下，地殼物質發生部分熔融的產物。可見，河口巖體次英安斑巖形成于加厚地殼背景下的后碰撞拉張構造環境，巖漿在上升過程中經歷了結晶分離而形成安山質巖漿。

5.3 地質意義

河口巖體位于貴東復式花崗巖體的北東部邊緣，后者因產出下莊鈾礦田而受眾多學者關注。研究表明，貴東花崗巖體為印支-燕山期多期多階段的復式巖體，該巖體為鈾成礦提供了豐富的鈾源(徐夕生等，2003；凌洪飛等，2005)。多期次巖漿作用導致鈾在巖體中不斷富集，其鈾含量明顯高于地殼豐度值。而火山巖系中鈾主要賦存于火山玻璃基質中，火山玻璃基質在后期水-巖相互作用過程中，容易釋放出大量的鈾并遷移富集。因此，河口巖體加里東期火山巖-次火山巖系可作為早期鈾源，為鈾的初步富集提供物質基礎，再經后期巖漿演化、水-巖作用等進一步富集成礦。

結合前人研究成果，粵北-贛南地區廣泛存在加里東期火山巖系，進一步暗示該階段發生了較大的拉張活動，而并非前人所認為的華南加里東期巖漿活動發生在較大的深度和較閉合的非伸展環境(周新民，2003；王德滋，2004)。而伸展環境有利于流體的運移，這也為后期熱液鈾成礦提供了條件，促使該區成為重要的鈾成礦遠景區。

6 結論

本文通過對河口巖體次英安斑巖中鋯石U-Pb同位素年代學及鋯石Hf同位素特征的研究，得出以下結論：

(1)河口巖體次英安斑巖的鋯石U-Pb年齡為428.6±2.2 Ma、429.6±2.4 Ma，屬晚加里東期火山巖系，進一步證實粵北-贛南地區存在較大范圍的加里東期火山巖-次火山巖分布。

(2)河口巖體次英安斑巖的鋯石Hf同位素組成特征表明其巖漿源區來自于地殼物質，由太古代、早元古代的變質巖部分熔融的產物，并無明顯地幔物質的加入。次英安斑巖形成于加厚地殼背景下的后碰撞拉張構造環境，為研究貴東復式花崗巖體的巖漿演化及鈾成礦作用打開了新的窗口。